Materiais compósitos

Os compósitos podem ser definidos como materiais heterogêneos e multifásicos, resultantes da combinação de dois ou mais componentes insolúveis entre si, que diferem nas propriedades físicas e químicas de cada um, em que um dos componentes possui a função principal de resistência ao esforço – agente de reforço –, e o outro atua como meio de transferência das cargas do esforço – matriz (HULL, 1981). Esta classe de materiais possui a função de alcançar propriedades específicas superiores – como térmicas, acústicas e mecânicas –, as dos seus componentes, quando utilizados isoladamente, para formar um material de engenharia útil, conforme apontado na norma ASTM D3878-07 – American Society

for Testing and Materials – ASTM (2007). A denominação destes materiais é

diversificada, podendo ser tratados na literatura como compósitos, compostos ou conjugados (MANO, 1991).

Quanto a utilização dos compósitos, pode-se colocar que os mesmos se fazem presente na história das mais diversas atividades das sociedades, a exemplo do uso de materiais vegetais na Muralha da China, dos tijolos reforçados com palha pelos egípcios e israelitas, e da inserção de colmos de bambu no reforço de adobe em paredes de habitações chinesas (KAW, 2006). Deve-se mencionar que no século XX, as fibras sintéticas de vidro, carbono e boro também foram amplamente empregadas na produção dessa classe de materiais (CALLISTER JR., 2003; FERNANDES, 2008; NOSSA, 2011).

Em 1930 foram inseridos no comércio os primeiros compósitos modernos resultantes do reforço de matrizes poliméricas com fibras de vidro, cujas aplicações se concentraram na construção de barcos e aviões. No início da década de 1960, com a descoberta das fibras de boro e carbono, passaram a se destacar os compósitos com matrizes metálica e cerâmica, a exemplo do alumínio e óxido de sílica, respectivamente (CALLISTER JR., 2003). Estas fibras também foram incorporadas em matrizes poliméricas, conduzindo ao desenvolvimento de compósitos que atingiram o status de material estrutural. Esses novos materiais foram aplicados em diversas áreas, como nas indústrias de automóvel, aeroespacial

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e aeronáutica – componentes de asas e caudas, e painéis interiores –, e desportiva – pranchas, raquetes e bicicletas, por exemplo (ATIKLER et al., 2006; HULL, 1981).

O desenvolvimento de compósitos ao longo o século XX, especialmente no período da Segunda Guerra Mundial, foi de grande utilidade quando inseridos na construção civil, com destaque, como já mencionado, para o concreto de cimento Portland e para as chapas derivadas da madeira e matrizes poliméricas.

As propriedades mecânicas dos compósitos dependem principalmente da interface entre o agente de reforço e a matriz, com ressaltos para a proporção entre os materiais, a geometria do agente de reforço, cujas principais são: partículas, fibras e lâminas, e a sua orientação (CALLISTER JR., 2003; CERCHIARO, 2010).

De acordo com Mallick (1988), em geral, os agentes de reforço são os principais membros de transporte de cargas, enquanto a matriz os mantém na localização e direção desejada, agindo como um transportador de cargas e os protegendo de danos ambientais. A boa adesão entre o agente de reforço e a matriz em um compósito é um requisito fundamental para o aumento da resistência do material (ELAYPERUMAL e VENKATESHWARAN, 2012; GOHIL e SHAIKH, 2010).

A Fig. 01 apresenta um esquema da classificação dos materiais compósitos conforme a geometria e a orientação do agente de reforço.

Figura 01 – Esquema da classificação dos materiais compósitos conforme a geometria e orientação do agente de reforço.

Fonte: Callister Jr. (2003), adaptado pela autora (2018).

Um dos principais parâmetros utilizados para a classificação dos materiais compósitos é o tipo da matriz, que pode ser de natureza metálica, cerâmica ou polimérica (FERNANDES, 2008), como pode ser observado no esquema ilustrado

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na Fig. 02. Alguns exemplos bastante difundidos na arquitetura e engenharia civil são as ligas metálicas – compósito metálico –, o concreto – compósito cerâmico – e as chapas derivadas da madeira – compósito polimérico.

Figura 02 – Esquema da classificação dos materiais compósitos de acordo com a matriz.

Fonte: Pinheiro (2008), adaptado pela autora (2018).

Quanto ao componente matricial de compósitos, os polímeros são os materiais mais utilizados, devido a sua leveza e facilidade de moldagem. Em relação ao peso, os compósitos poliméricos apresentam propriedades mecânicas específicas que podem exceder as dos metais (BHAGAWAN, DEVI E THOMAS, 2011). Atualmente, a matriz polimérica apresenta potencial para inúmeras aplicações na indústria, com destaque para as resinas.

1.3.1. As resinas como matrizes em compósitos

As resinas são substâncias viscosas ou sólidas, sendo classificadas em sintéticas ou naturais. As resinas naturais são, comumente, extraídas de plantas, a exemplo do látex. As resinas sintéticas são produzidas em laboratório, a partir de matérias-primas como o petróleo e espécies vegetais. Algumas podem ser utilizadas sob a forma monocomponente – constituída por apenas uma parte –, ou bi- componente – composta por duas partes, normalmente, um poliol e um pré- polímero, que atua como catalizador.

Essa classe de materiais é, ainda, dividida em termoplástica e termofixa, em que a diferença principal entre ambas se relaciona com a temperatura, as resinas termoplásticas possuem uma estrutura que amolece repetidamente quando aquecida e endurece quando resfriada (SHACKELFORD, 2005). Já as termofixas,

POLIMÉRICA MATRIZES METÁLICA CERÂMICA TERMOPLÁSTICA TERMOFIXA

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curam num estágio irreversível, permanecendo na mesma condição quando aquecidas, pois uma vez processadas não permitem fundir ou moldar, mesmo se houver ação da temperatura (MANO,1991).

Alguns exemplos de resinas termofixas para incorporação em compósitos devem ser citadas: poliéster insaturadas, éster-vinilicas, epóxis, ureicas, fenólicas e poliuretanos. Na arquitetura, destacam-se os painéis derivados da madeira, que são produzidos com as resinas ureica e fenólica, definidas de acordo com a aplicação e a resistência do produto final, sendo estas, as primeiras resinas inseridas em escala industrial, durante a década de 1930 (CARRASCO, 1984).

Com a Segunda Guerra Mundial, novas resinas foram desenvolvidas como o resorcinol-formaldeído, aplicadas em painéis com desempenho estrutural. Posteriormente, com a evolução da química das macromoléculas, uma variedade de adesivos foi produzida, como os poliuretanos. Atualmente, a indústria ampliou o campo de aplicação dos poliuretanos, principalmente, sob a forma de espumas flexíveis ou rígidas, com usos em painéis, assentos e para-choque de automóveis, assento de móveis, utensílios esportivos, adesivos, dentre outros (SILVA, 2003).

Desta forma, pode-se colocar que as resinas possuem potencial de exercerem a função de matrizes em compósitos, porém, o processo de fabricação das mesmas e dos produtos confeccionados com elas, tendem a causar impactos ambientais e serem nocivos ao homem, pois, muitas emanam gases tóxicos e necessitam de elevada temperatura de cura, tornando o seu emprego problemático em países cujo controle ambiental é rigoroso (PETERSON, 1964).

Uma abordagem contemporânea que considera a temática dos materiais alternativos, objetiva o desenvolvimento de novos agentes aglomerantes, como as resinas e adesivos poliméricos, buscando tecnologias e produtos menos agressivos que os convencionalmente produzidos pela indústria, como derivados de matérias- primas vegetais, a exemplo da soja, milho, girassol, canola, amendoim, oliva e mamona (SILVA, 2003). Estudos apontam o potencial da resina derivada do óleo de mamona para o uso em vários ramos da indústria, como medicina, arquitetura e engenharias.

36 1.3.1.1. Resina poliuretano derivada do óleo de mamona – Riscinus Communis

Na categoria das resinas, Silva (2003) aponta que os poliuretanos podem ser oriundos do petróleo ou fontes naturais, podendo ser utilizados como aglomerantes e revestimentos com excelente desempenho.

Bradi et al. (2006) avaliaram a influência da mistura de óleo vegetal em matriz poliuretano na resistência mecânica de painéis de fibras de madeira. As análises realizadas possibilitaram concluir que é possível a utilização de misturas de óleo vegetal em matriz poliuretano na relação de 35%/65% – em massa – para confecção de painéis de fibras de madeira.

A resina poliuretano pode ser obtida do óleo de mamona, sendo denominada nacionalmente como resina derivada do óleo de mamona e, internacionalmente, como Castor Oil.

A mamona – Riscinus Communis – é uma planta abundante no Brasil, e pode ser encontrada em regiões tropicais e subtropicais – com baixa umidade –, tendo como principais produtores, Brasil, China e Índia. O óleo de mamona é um recurso natural, renovável e um triglicerídeo natural – não alimentar – e com forma de líquido viscoso. Pode ser aplicado como matéria-prima para tinta, revestimento e lubrificante, e utilizado para sintetizar resinas (MILANESE, 2008).

Sendo assim, foram identificados estudos na área das resinas derivadas de materiais naturais, como a poliuretano derivada do óleo de mamona – Riscinus

Communis –, desenvolvida e estudada no Instituto de Química da Universidade de

São Paulo – USP. Jesus (2005) coloca que a mesma possui boa resistência à ação da água e raios ultravioleta, e é 80% biodegradável.

Deve-se destacar que esta resina possui cura em temperatura ambiente, que pode ser acelerada e otimizada com temperaturas de 60o_{C a 100}o_{C, ou seja,}

menores que as tradicionais (SILVA, 2003).

Ao longo do processo de desenvolvimento científico do poliuretano derivado do óleo de mamona, vários estudos de caso foram efetuados, com ressaltos para a área médica, como confecção de próteses para substituir ossos nas mandíbulas, no crânio e na face ou, ainda, como suportes na coluna cervical, nos globos oculares e nas gengivas (CANGEMI, CLARO e SANTOS, 2006). Observou-se, também,

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pesquisas relacionadas com materiais construtivos, como compósitos com fibras vegetais como agentes de reforço.

Dias et al. (2005) utilizaram a resina poliuretano derivada do óleo de mamona em chapas de partículas de madeira, e analisaram o efeito da temperatura de prensagem, considerando a temperaturas de 60o_{C e 90}o_{C. Concluiu que as chapas}

prensadas a 60o_{C tornaram-se mais resistentes aos ensaios de módulo de ruptura –}

MOR –, módulo de elasticidade – MOE – e tração paralela – TP.

Santos (2013) apresenta um estudo da viabilidade de produção e avaliação de painéis de fibra de curauá – Ananas Erectifolius –, sem e com resíduos de madeiras Amazônicas, produzidos a uma temperatura de 100o_{C, com resina}

poliuretano à base de óleo de mamona. Para o estudo foram realizados os ensaios de flexão estática, tração perpendicular e arrancamento de parafuso de superfície, de acordo com a norma NBR 14810-2 (ABNT, 2003). Os resultados obtidos apontam que os painéis apresentaram boas propriedades físico-mecânicas, estando de acordo com a norma brasileira.

Silva (2003) desenvolveu um compósito formado por resina poliuretano derivada do óleo de mamona – a temperatura ambiente – e fibras de sisal e coco. O processamento foi realizado utilizando-se a moldagem por compressão e a caracterização compreendeu os seguintes ensaios: tração, flexão, impacto, tenacidade à fratura e absorção de água.

Segundo Silva et al. (2009) com as novas exigências legislativas e maior conscientização dos consumidores, os compósitos naturais são objetos de estudo buscando alternativas aos de fibras sintéticas e resinas derivadas do petróleo.

1.3.2. As fibras como agente de reforço em compósitos poliméricos

O uso de fibras como agente de reforço, especialmente em compósitos poliméricos, é bastante estudado devido às características que são vantajosas para a indústria, sendo o aumento na resistência mecânica e a redução na densidade do produto final, alguns dos fatores mais considerados (BENÍTEZ et al., 2013; KU et al., 2011).

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Deve-se mencionar que a forma como as fibras são arranjadas exerce influência sobre a resistência mecânica e outras propriedades do material, podendo ocorrer, quanto à disposição no compósito: alinhadas ou contínuas, aleatórias ou descontínuas, e tecido tramado; e quanto ao comprimento: curtas e longas (MATTHEWS e RAWLINGS, 1994; NETO e PARDINI, 2006 apud SANTOS, 2013), como ilustrado na Fig. 03.

Figura 03 – Esquema da orientação de fibras em compósitos.

Fonte: Mathews e Rawlings (1994).

Legenda: a) partículas aleatórias; b) fibras descontínuas unidirecionais; c) fibras descontínuas aleatórias; d) fibras contínuas unidirecionais

As fibras podem ser classificadas como natural – de origem animal, mineral ou vegetal – ou sintética (MARINELLI, et al., 2008). Em relação às sintéticas, as mais utilizadas são carbono, boro e vidro, porém, devido ao alto custo de fabricação, possuem o uso limitado à produção de compósitos de elevada exigência estrutural (CALLISTER JR., 2003). Outro fator que deve ser apontado é que o uso excessivo destes materiais tem originado sérios problemas ambientais, pois apresentam uma baixa biodegradabilidade, resultante da sua origem fóssil (FENGEL e WEGENER, 1989).

Na construção civil, o uso de materiais confeccionados com fibras está se ampliando rapidamente, devido, principalmente, ao seu comportamento mecânico. O seu emprego na arquitetura e engenharias só ocorreu de forma mais generalizada, no início do século XX, quando o material compósito cimento/amianto passou a ser produzido em escala industrial. Contudo, a partir da década de 1960 foram constatados problemas de saúde provocados pelo uso das fibras de amianto – substituídas pela polpa de celulose –, o que impulsionou estudos de novos materiais

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e matérias primas, tais como, fibras de aço, vidro, plástico, boro, carbono e vegetais (AGOPYAN e SAVASTANO JR., 2007).

Os autores ainda mencionam que considerando os compósitos poliméricos, as fibras possuem resistência mecânica superior às matrizes. Sendo assim, para se obter compósitos com desempenhos mecânicos elevados, procura-se inserir o máximo de fibras. No caso das fibras vegetais, o custo das fibras é inferior ao da matriz, portanto, o máximo de fibras tende a reduzir o custo do compósito.

Nesse contexto, uma das características mais destacadas pelos pesquisadores, que torna a fibra vegetal competitiva em relação à fibra sintética, é a sua baixa densidade – cerca de duas vezes inferior à da fibra de vidro, por exemplo –, que associada à sua natureza não abrasiva, permite a incorporação de uma maior fração de reforço no material, conduzindo a obtenção de propriedades mecânicas superiores, e compondo produtos mais leves (FALK et al., 2003).

Além disso, Alexandre (2005) avaliou que as fibras vegetais, em geral, podem resistir a temperaturas de até 200o_{C, sem perdas significativas das principais}

propriedades mecânicas. Ainda destaca que devido aos vazios existentes em sua estrutura física, possui predisposição para o isolamento acústico. Essas fibras em comparação com as fibras de vidro, por exemplo, são muito eficientes como isolantes térmicos e acústicos, apresentando potencial para o reforço de compósitos (ELAYAPERUMAL e VENKATESHWARAN, 2012).

As fibras vegetais ou lignocelulósicas podem ser extraídas de diversas regiões das plantas, tais como: caule – ex. juta, banana, linho, cânhamo, kenaf, rami e malva; folha – ex. abacaxi, sisal, henequém e curauá; e fruto ou semente – ex. algodão, mamona, coco e açaí. Muitas delas já são utilizadas em materiais compósitos, apresentando propriedades mecânicas elevadas quando utilizadas como reforço em resinas poliméricas (RWAWIIREE, OKELLO e HABBI, 2014).

Considerando essa questão, Bhagawan, Devi e Thomas (2011) e Nóbrega (2007) apontam que quase todas as fibras vegetais podem ser aplicadas como agente de reforço em matriz polimérica. Porém, as fibras das folhas são as mais empregadas, pois, em geral, elas são mais resistentes do que as fibras do caule. As fibras das folhas geralmente são conhecidas como fibras duras enquanto as fibras do caule são conhecidas como fibras macias.

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Todavia, devido as ligações de hidrogênio, considerando sua composição química, as fibras vegetais são de natureza hidrófila, sendo considerado o maior problema das fibras vegetais quando utilizadas como reforço em compósitos poliméricos, pois são imcompatíveis com a maioria dos polímeros, que são hidrofóbicos. Sua natureza hidrófila influência as propriedades mecânicas e físicas das fibras e, consequentemente, dos compósitos que as utilizam. Por outro lado, sua natureza rica em hidroxilas sugere que elas são particularmente úteis em sistemas termorrígidos, como o poliuretano (SILVA, 2003).

As fibras vegetais são compostas basicamente por três componentes: celulose, lignina (L) e poliose (P), este último também conhecido como hemicelulose (RONG et al., 2001; ROWELL, 1997). Quanto a estrutura, estas fibras são constituídas por um conjunto de filamentos individuais – microfibrilas –, formadas por fibrilas e unidas por espécies químicas orgânicas não cristalinas: as ligninas e as hemiceluloses. As fibrilas se orientam em ângulos distintos, unindo-se e formando as diversas camadas que compõem a macrofibra, conforme a Fig. 04 (FENGEL e WEGENER, 1989; AMICO, SYDENSTRICKER e TANOBE, 2005; PINTO, 2008).

Figura 04 – Ilustração da constituição estrutural de uma fibra vegetal.

Fonte: Rong et al. (2001).

Sendo assim, pode-se afirmar que cada fibra é, em essência, um compósito no qual as rígidas microfibrilas de celulose estão envolvidas por uma matriz de lignina e hemicelulose. A lignina atua como o material de cimentação, unindo as microfibrilas e a hemicelulose como interface entre a microfibrila e a lignina, como ilustrado na Fig. 05 (FENGEL e WEGENER, 1989; PINTO, 2008). Nascimento

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(2009) ainda aponta que as fibras vegetais normalmente não possuem propriedades uniformes, apresentam, ao contrário, grandes variações nos valores de suas propriedades relacionadas a seus constituintes celulose, hemicelulose e lignina.

Figura 05 – Ilustração da associação dos componentes da parede celular.

Fonte: Fengel e Wegner (1989).

Legenda: a) vista de um corte transversal; b) vista de um corte tangencial, L-P indica ligações lignina- polioses

As fibras lignocelulósicas são tradicionalmente utilizadas para a produção de fios, cordas, sacarias, mantas, tapetes, tecidos e artefatos de decoração. Na atualidade, os compósitos formados por matrizes poliméricas e fibras vegetais constituem uma das maiores áreas de pesquisa desta classe de materiais. Esse interesse intensificou-se no inicio da década de 1990, devido às exigências das autoridades legislativas quanto ao uso intenso da madeira, ao destino final das fibras sintéticas e resinas derivadas do petróleo, e a uma maior conscientização dos consumidores quanto à necessidade de preservação do meio ambiente e das fontes naturais (BENINI, 2015; FENGEL e WEGENER, 1989).

Nesse contexto, observa-se uma preocupação crescente por parte das indústrias no sentido de utilizar produtos mais econômicos e métodos inovadores, que buscam causar menos impacto ao meio ambiente (IWAKARI, 2005). Alexandre (2005) menciona que um dos exemplos atuais são as montadoras de automóveis, possuindo como meta o financiamento de pesquisas direcionadas para a utilização de fibras vegetais, em alternativa às espumas e fibras sintéticas, que por sua vez, são oriundas de recursos não renováveis e de alto custo de produção. Silva (2003) coloca que empresas internacionais, como a Mercedes Benz, na Alemanha, utilizam,

a) b)

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em veículos de primeira linha, estofamentos com fibras vegetais, e investem em estudos sobre os denominados bioplásticos.

A reportagem intitulada de “Um carro feito de plantas?” divulgada pela revista Época Negócios – versão online –, em 02/04/2009, apontou modelos de automóveis onde foi utilizada, em peças, como a tampa do porta-malas e o teto, a fibra da folha de uma espécie vegetal chamada curauá – Ananas Erectifolius –, planta típica da Amazônia Paraense, pertencente à família do abacaxizeiro – Ananas Comosus – cultivado na região Nordeste, como uma forma de reduzir o impacto ao meio ambiente.

Segundo Silva et al. (2009), o uso de fibras vegetais na indústria automobilística, além de substituir recursos não renováveis, possibilita a fabricação de peças mais leves e seguras, uma vez que esses materiais não geram arestas cortantes ao serem rompidos e não emitem gases tóxicos durante o uso e o processo de fabricação (ATIKLER et al., 2006). Estes aspectos podem ser importantes para a arquitetura e engenharias em geral.

Pode-se apontar o aumento de pesquisas que utilizam matérias-primas vegetais como componentes de compósitos, sendo que o uso e o estudo de fibras vegetais em materiais direcionados à arquitetura e engenharias têm recebido bastante visibilidade na atualidade, tanto no campo acadêmico, quanto no industrial, uma espécie que apresenta potencial, é o abacaxizeiro, planta cultivada em diversos países.

1.3.2.1. A fibra da folha do abacaxizeiro – Ananas Comosus

O abacaxizeiro – Ananas Comosus – é uma planta tropical originária de regiões de clima quente e seco ou de pluviometria irregular, e pertence à família Bromeliáceae, com variedades tipo Pérola, Smooth Cayenne, Perolera e Primavera. Normalmente, as bromeliáceas são plantas muito resistentes, sobrevivem desde zonas desérticas até as mais úmidas, são constituídas por folhas longas, rígidas e fibrosas, e os frutos, em geral, apresentam-se em forma de baga ou cápsula (AQUINO, 2006).

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A planta necessita de 200 dias ou de 12 a 30 meses em média para frutificar, e é propagada vegetativamente por meio de mudas produzidas pela própria planta. É uma planta herbácea e compõe-se de um caule – talo – curto e grosso, em cuja volta crescem entre 70 e 80 folhas em forma de calha, estreitas e rígidas, que podem atingir até 1,50 metros de comprimento, sendo o seu fruto, o abacaxi, como ilustrado na Fig. 06.

Figuras 06 – Plantação de abacaxi, com indicação do comprimento das folhas do abacaxizeiro.

Fonte: www.meioambientério.com.

O abacaxizeiro pode ser plantado em sistemas de fileiras simples, duplas, triplas, quádruplas e quíntuplas. As mais comuns são as fileiras simples e duplas. A fileira simples facilita os tratos com variedades espinhosas, já a dupla abriga o maior númeo de unidades por área, promovendo melhor sustentação das plantas (AQUINO, 2006).

O abacaxi é utilizado para o consumo “in natura”, e na indústria, para a produção de sucos e frutos em calda. Em alguns países, como Índia e Filipinas, é realizada a extração das fibras das folhas do abacaxizeiro. Na Índia são usadas para a fabricação de fios e tecidos e em produtos de artesanato. Nas Filipinas são